Integrierte Längs- und Querführung von Personenkraftwagen mittels Sliding-Mode-Regelung
Gegenstand der Arbeit ist der Entwurf eines Fahrerassistenzsystems (FAS) zur automatisierten Längs- und Querführung eines Straßenfahrzeugs. Das FAS soll den Fahrer auf Autobahnen sowie gut ausgebauten Landstraßen unterstützen und entlasten. Dem System können dabei unterschiedliche Architekturen zugrunde liegen. So können zwei parallel betriebene Regelungen die Fahrzeugführung in Längs- und Querrichtung unabhängig voneinander vornehmen. Bei einer kombinierten Längs- und Querführung werden Wechselwirkungen zwischen den vorher separaten Regelungssystemen explizit eingeführt. Für eine integrierte Längs- und Querführung besteht eine implizite Kopplung zwischen den Bewegungsrichtungen. Der Schwerpunkt der Arbeit liegt auf dem Entwurf von Regelungssystemen. Dabei werden zunächst zwei parallel betriebene Regelungen untersucht, die jeweils eine Soll-Beschleunigung in Längs- bzw. Querrichtung erzeugen. Anschließend wird eine integrierte Regelung entworfen, die Soll-Beschleunigungen für beide Bewegungsrichtungen generiert. Als Regelungsprinzip kommen sogenannte Sliding-Mode-Regler zum Einsatz. Dabei handelt es sich um strukturvariable Regler, deren Entwurf im Phasenraum des zu regelnden Systems erfolgt. Für die parallel betriebenen Regler ergeben sich zwei 2D Phasenräume, für den integrierten Ansatz ein 4D Phasenraum. Durch Modifikationen werden die Sliding-Mode-Regler an die Aufgaben der Abstandsregelung, der Fahrstreifenmittenführung sowie der Durchführung eines Überholmanövers bei gleichzeitiger Längsbeschleunigung angepasst. Die Funktionsweise der Regelungen wird anhand zuvor hergeleiteter Modelle der Fahrzeugbewegung untersucht. Die Modellparameter wurden experimentell ermittelt und in Versuchen validiert. Abschließend werden Ergebnisse realer Versuche präsentiert. Hierzu wird ein FAS implementiert, das neben der Regelung geeignete Sensorik zur Erfassung des Fahrzeugumfelds, Aktorik zur Beeinflussung der Fahrzeugbewegung sowie ein Bedienkonzept zur Interaktion des Fahrers mit dem FAS umfasst. Die untersuchten Szenarien beinhalten alltägliche und kritische Situationen. Es wird gezeigt, dass das FAS für die Fahrzeugführung in den beschriebenen Verkehrssituationen geeignet ist und sich eine Parametrierung der Regler anschaulich gestaltet.
The subject of this work is the development of a driver assistance system for the automatic longitudinal and lateral guidance of an automobile. The assistance system should support the driver in vehicle guidance on motorways as well as improved highways. The system could be based on different architectures. Thus, two control systems operating in parallel could intervene in the vehicle's longitudinal and lateral guidance independent of each other. In the case of combined longitudinal and lateral control, the interaction between the previously separate control systems is explicitly introduced. An implicit coupling between the two directions of motion exists for the integrated longitudinal and lateral control. This work focuses on the design of control systems. First, two control systems operating in parallel are examined, each of which generates a desired longitudinal and lateral vehicle acceleration respectively. Then an integrated controller for longitudinal and lateral guidance is designed, which generates desired accelerations in both directions of movement. Sliding mode control is applied as the control principle in both approaches. It is a variable structure control system, the design of which takes place in a phase space of the system to be controlled. The two 2D phase spaces for the controls operated in parallel result in a 4D phase space for integrated use. The sliding mode control is modified for tasks of distance control, lane guidance and passing manoeuvres with simultaneous longitudinal acceleration. The manner in which the controls function is examined using previously derived models of vehicle motion. The model parameters were determined experimentally and validated in driving tests. Finally, the results of actual driving tests are presented. For this purpose, a driver assistance system is implemented which includes, in addition to the previously designed controllers, sensors for detecting the vehicle's environment, actuators for influencing vehicle motion as well as an interface between the driver and the assistance system. The examined scenarios include daily and critical driving situations. It is shown that the developed driver assistance system for vehicle guidance is appropriate for the described traffic situations and the parameterization of the control proves to be comprehensible.
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